《氣象學(xué)》第二講 大氣

第二講大氣Likeafishintheocean,manisconfinedtoaveryshallowlayerofatmosphere.編輯ppt主要參考書華萊士、霍布斯著，王鵬飛等譯，大氣科學(xué)概觀，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1981.徐紹祖主編：大氣物理學(xué)基礎(chǔ)，氣象出版社，1993.徐玉貌、劉紅年、徐桂玉編著：大氣科學(xué)概論，南京大學(xué)出版社，2000.編輯pptair?編輯ppt第二講大氣大氣的成分大氣的垂直結(jié)構(gòu)表征氣體狀態(tài)的物理量，大氣現(xiàn)象氣體狀態(tài)方程編輯ppt干潔大氣、水汽、氣溶膠air?編輯ppt除去水分以外的純凈大氣，稱為干潔大氣。主要成分：N2,O2,Ar,CO2，濃度>300ppmv微量成分：如CH4，濃度在1～20ppmv之間痕量成分：O3,H2,氮氧化合物，硫化合物及認(rèn)為污染物氟氯烴類化合物，濃度<1ppmv按照濃度分類N2,O2,Ar占空氣體積的99.966%編輯ppt按照平均停留時間分類基本不變成分：lifetime>1000a，各成分間比例不變。有N2,O2,Ar及Ne,Kr等惰性氣體?？勺兂煞郑浩骄鶋勖鼮閹啄甑绞畮啄?，比例隨時間、地點變化。有CO2,CH4,H2,N2O等。變化很快的氣體成分，

lifetime<1a，如碳、硫、氮等的化合物。編輯ppt占的體積比例為78%編輯ppt占的體積比例為21%（2）氧氣（Oxygen,O2）是維持人類和植物生存的重要氣體對有機(jī)物燃燒、腐敗和分解起著重要作用編輯ppt大氣中氧的來源2H2O2H2+O2

H2O+CO2{CH2O}+O2水的離解作用（光解作用）：需要吸收紫外輻射。光合作用：需要吸收可見光輻射。地球大氣的氧主要由后者產(chǎn)生：30億年之前，只有水的離解作用產(chǎn)生很少量的氧氣，臭氧更少，出現(xiàn)原始生命體，都在水下10m左右（？），這種生物可以釋放氧氣；6億年前，O2濃度達(dá)到目前的百分之一，O3增加，植物、動物由海洋轉(zhuǎn)為陸地；4億年前，O2達(dá)到目前的十分之一，之后逐漸平衡。氧氣越來越多----紫外輻射越來越少-----植物登陸，接觸可見光多了---產(chǎn)生更多的氧與此同時，動植物的呼吸和死亡---消耗氧氣，排放二氧化碳---平衡編輯ppt氧氣的光致離解作用，高層光致離解作用隨著高度下降而降低，而低層大氣中氧氣含量增加40-50km高度上O3耗散的主要過程編輯ppt平流層編輯pptO3在平流層吸收的部分太陽輻射能量，估計使得地面平均溫度下降1-2度編輯ppt對流層內(nèi)的O3占O3總量的10%強(qiáng)氧化劑作用——在許多大氣污染過程中起重要作用，如SO2及氮氧化合物的轉(zhuǎn)化，是酸雨和光化學(xué)煙霧的主要起因之一。在紅外波段9.6um有強(qiáng)吸收帶，造成對流層大氣的增溫，從而和CO2、CH4一起屬于溫室氣體。地表附近的O3可危害生態(tài)環(huán)境。高濃度O3對呼吸系統(tǒng)有害。平流層的湍流和擴(kuò)散；對流層內(nèi)的光化學(xué)作用；雷暴、閃電編輯ppt大氣O3總量有明顯的地區(qū)變化O3總量年平均值的全球分布（1970～1977年衛(wèi)星觀測結(jié)果）主要分布于北半球65～70度和南半球60～65度；北半球O3總量大于南半球O3總量赤道附近極小值，y？編輯ppt編輯ppt大氣O3總量有明顯的季節(jié)變化O3總量年平均值的全球分布（1970～1977年衛(wèi)星觀測結(jié)果）赤道兩旁25度緯度范圍內(nèi)季節(jié)變化不太明顯；春季在高緯度地區(qū)達(dá)極大值編輯ppt春天冬季平流層中的大量冰晶云儲存了CL離子，到了春季CL離子釋放編輯ppt臭氧洞形成的另一個原因：大氣動力學(xué)因素。4月-11月，南半球的冬春季節(jié)里，南極大陸受到一個穩(wěn)定圍繞極地的渦旋氣流控制，從而阻止極地地區(qū)大氣與中高緯大氣的交換。一方面使得極地大氣溫度受到極地影響不斷降低，平流層溫度低于-84度，很多冰晶云，其中的CL離子促進(jìn)O3分解；另一方面，低緯度平流層內(nèi)的O3無法進(jìn)入極地地區(qū)。編輯ppt近年來O3的變化全球O3總量的變化比較復(fù)雜，總的說來有下降趨勢。編輯ppt中國近十多年O3總量變化的主要特征大氣O3不斷在減少，平均年遞減率隨緯度增加而增大，在?？诘貐^(qū)為0.077%/年，在漠河地區(qū)為0.75%/年，相差近10倍。青藏高原夏季（6～9月）形成大氣O3總量異常低值中心。由于青藏高原獨特的地形，在夏季盛行上升氣流，帶來高空輻散編輯ppt編輯ppt編輯ppt二氧化碳（carbondioxide）

如果地球周圍不被大氣層包圍的話，地球表面的等效溫度大約是－19℃。但實際觀測到的地球表面溫度約為15℃。遠(yuǎn)高于輻射平衡溫度，這主要是由于大氣的存在使地球表面的平衡的溫度升高了。大氣對太陽的短波輻射是透明的，而對地球表面的長波輻射不太透明，其性質(zhì)如同溫室的玻璃一樣。所以，一般把大氣的這種保溫作用又稱為“溫室效應(yīng)”。把具有溫室效應(yīng)的氣體統(tǒng)稱為“溫室氣體”。大氣中的主要溫室氣體不是大氣的主要成分，而是水汽，CO2，CH4，N2O，CFCs。

自然界的溫室氣體使地球保持適當(dāng)?shù)臏囟龋ㄆ骄?5℃），而適于人類和生物生存。但是當(dāng)他們的濃度增加，將會使地球溫度升高，改變氣候及其他氣象要素，特別是降水的重新分布。

溫室氣體濃度增加，使全球平均地表溫度升高，嚴(yán)格地說，這是在自然溫室氣體濃度之上增加的“增強(qiáng)溫室效應(yīng)”，人們經(jīng)常把”增強(qiáng)”二字省略，但不應(yīng)忘記。

編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt

ThecurrentconcentrationofCO2isabout365ppm(partpermillion),ascomparedtothepre-industrialconcentrationofabout285ppm.Thisisanincreaseofabout28%Thisincreaseisprimarilyduetotheburningoffossilfuels(alsosomelossofbiomass)編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt全球變暖的后果，云層中液態(tài)水含量增加，全球降水量重新分配，冰川和凍土消融，海平面上升，干旱等，既危害自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，更威脅人類的食物供應(yīng)和居住環(huán)境。

編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯pptSnowcoverandiceextenthavedecreased編輯pptGlobalaveragesealevelhasrisenandoceanheatcontenthasincreased編輯ppt編輯ppt編輯ppt地表上的水–全球年水量平衡液態(tài)水體（江、河、湖、海）的蒸發(fā)、土壤水分的蒸發(fā)和陸地植物葉子的蒸騰編輯ppt大氣中的水汽含量在全球水含量的比例大氣中的水汽約為28萬億噸×95％～26.6萬億噸。全球平均氣柱內(nèi)的水汽總量為27kg/m2編輯ppt水汽的空間分布水汽絕大部分集中在對流層下部，隨高度增加而急劇減少，水汽實際上隨地區(qū)和季節(jié)的差異有很大的變化。1.5~2km以下減少為地面的10%編輯ppt4、大氣氣溶膠粒子（aerosolparticle）1、定義：

現(xiàn)在普遍采用最早由Donnan在第一次世界大戰(zhàn)期間的研究工作中，把a(bǔ)ero同sol相聯(lián)而得的術(shù)語aerosol。

尺度范圍：1nm-100μm

大氣中分散、懸浮，且沉降速率很小、尺度在1nm-100μm之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，稱為大氣氣溶膠粒子。編輯ppt2、大氣氣溶膠粒子的源和匯

據(jù)估計，全球氣溶膠質(zhì)粒主要是自然界產(chǎn)生的，人工來源僅為自然來源的五分之一。

土壤巖石風(fēng)化及火山噴發(fā)的塵埃煙塵及工業(yè)粉塵海水氣泡氣-粒轉(zhuǎn)化微生物、孢子、花粉等有機(jī)物質(zhì)點宇宙塵埃1）源編輯ppt海面波浪的氣泡破裂時，能產(chǎn)生氣溶膠粒子。如一個氣泡破裂時，其氣泡膜的破碎可產(chǎn)生許多小水滴，小水滴蒸發(fā)后，可產(chǎn)生較小的鹽粒。氣泡破裂產(chǎn)生的凹陷處，水會竄出成射流，并斷裂成水滴。水滴蒸發(fā)，形成大鹽核。編輯ppt2）匯

即氣溶膠粒子被移出大氣的過程。對流層大氣中質(zhì)粒的移出或消失可以通過上層大氣的泄漏，也可以在地面沉積。按是否有水質(zhì)粒參與，分為干沉降、濕沉降。編輯ppt

干沉降過程：指質(zhì)粒在干的狀況下移出大氣的過程。包括重力下沉、附粘移出。

濕沉降過程：指質(zhì)粒受雨雪或云霧滴等影響而下沉到下墊面移出大氣的過程。包括凝長下沉、碰并下沉。編輯ppt大氣氣溶膠粒子在大氣過程中的作用

1）在云霧降水中的作用可作為水汽凝結(jié)和凝華以及水滴凍結(jié)的核心，即部分大氣氣溶膠粒子可作為CCN（cloudcondensationnuclei)或IN(icenuclei)2）對大氣輻射過程的影響

吸收和散射太陽輻射，影響大氣溫度的垂直分布。

編輯ppt3）對大氣光學(xué)特性的影響對太陽光的散射和吸收，會影響大氣能見度。還會影響天空顏色。一些光學(xué)現(xiàn)象的出現(xiàn)，也與它們的作用有關(guān)。4）對大氣電學(xué)特性的影響天空的顏色、曙暮光等+++++++++++++++----------------------------晴天大氣地面負(fù)離子正離子編輯ppt通常將實際大氣中的氣溶膠粒子和大氣污染物統(tǒng)稱為大氣雜質(zhì)。大氣的污染物質(zhì)主要集中在3km以下。城市多而農(nóng)村少，陸地多而海洋少，冬季多而夏季少，夜間和清晨多而午后少編輯ppt編輯ppt地球大氣分層（t）外逸層熱層中間層平流層對流層大氣邊界層大約距地面1km。飛機(jī)為什么理論上應(yīng)該在平流層飛行？編輯ppt1、對流層（12km以下）在赤道地區(qū)對流層頂?shù)母叨燃s18千米，中緯度地區(qū)約12千米，極地地區(qū)約8千米。夏季的對流層厚度大于冬季。以南京為例，夏季的對流層厚度達(dá)17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差達(dá)6公里之多。Why？編輯ppt1)、溫度隨高度的增加而降低，氣溫遞減率Γ為6.5℃/km

定義氣溫遞減率Γ：高度每升高單位高度氣溫降低的度數(shù)。2)、對流層中的垂直運動顯著。3)、集中了80%的大氣質(zhì)量和幾乎全部水汽。對流層特點編輯ppt4)、云霧降水均發(fā)生在此層5)、受地表影響最強(qiáng)烈，空氣屬性的水平分布很不均勻編輯ppt2、平流層（12km~55km)1)25km以下溫度遞減率接近零，25km左右溫度隨高度明顯增加。每公里升溫2°C。最高達(dá)到-3°C。？？2)

平流層氣流運動主要以水平運動為主。3)

水汽極少，顆粒物極少，能見度極好。4)

大氣污染物進(jìn)入平流層后能長期存在。O3的作用說明：對流層和平流層之間的氣體混合是相當(dāng)弱的。編輯ppt4、熱層（~550km)1）溫度隨高度增加而上升。2）高度電離。3）帶電粒子運動受地球磁場的作用明顯。強(qiáng)紫外輻射的光化學(xué)分解和電離反應(yīng)造成了高溫，分子稀薄，傳導(dǎo)率小，所以溫度梯度很大。最高溫度趨于1000-2000k，晝夜溫差極大極光：一種輝煌瑰麗的大氣光學(xué)現(xiàn)象。太陽發(fā)射的高速帶電粒子流使得高層稀薄大氣分子或原子被激發(fā)，激發(fā)的粒子要回到基態(tài)時發(fā)出可見光，就是極光。這種太陽的高速帶電粒子流在地磁場的作用下趨于兩極分布，所以極光常出現(xiàn)在高緯度地區(qū)。編輯ppt地球磁場是通過電流流動的發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生磁場的。地球磁場是偶極型。磁鐵的N極大體上對著南極產(chǎn)生的磁場。

編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt地球大氣的上界把極光出現(xiàn)的最高高度作為大氣上界。約1200km。衛(wèi)星探測。約2500-3000km。磁層頂作為大氣上界。Actually編輯ppt主要氣象要素氣象要素：表征大氣狀態(tài)和現(xiàn)象的物理量。例如，氣溫、空氣濕度、氣壓、風(fēng)、能見度、降水等。一、氣溫1、定義：表示空氣冷熱程度的物理量2、溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)絕對溫標(biāo)單位℃°FK常用符號tFT編輯ppt關(guān)系：3、觀測地面氣溫指離地1.5m（我國）高處百葉箱里的氣溫。土溫指的是埋在地表、地表以下5cm、10cm、15cm、20cm的溫度計。編輯ppt二、氣壓1、定義：在任何表面的單位面積上空氣分子運動所產(chǎn)生的壓力。

2、單位：國際單位帕（Pa)

氣象上常用百帕（hPa）

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1013.25hPa3、測量：靜止大氣中，任一高度上的氣壓值等于這一高度鉛直向上直到大氣上界的空氣柱質(zhì)量。編輯ppt編輯ppt2、等壓面圖、等高面圖等壓面是空間氣壓相等的各點所組成的面。由于同一高度，各地氣壓不相等，等壓面在空間不是平面，而是象地形一樣起伏不平。在等壓面圖上，用等高線表示氣壓的空間分布。等壓面凸起的地方，表示在同一高度上，氣壓比四周高。在等壓面圖上，是一組閉合等高線構(gòu)成的高值區(qū)。編輯ppt等壓面凹下，表示同一高度上，氣壓比四周低。在等壓面圖上，是一組閉合等高線構(gòu)成的低值區(qū)。因此，在等壓面圖上，由等高線的分布可反映等壓面的起伏，表示氣壓的空間分布狀況。編輯ppt

目前地面天氣圖，就是高度為零的等高面圖，在地圖上填上海平面氣壓值，繪制等壓線，此外，地面天氣圖上還標(biāo)有其他天氣符號和等值線。編輯ppt編輯ppt三、空氣濕度1、定義：表示空氣中水汽含量多少或潮濕程度的物理量。2、水汽達(dá)飽和3、濕度參量由水汽和平面純水（或純冰）組成的系統(tǒng)，在某溫度下達(dá)到兩相平衡時，稱為水汽達(dá)飽和。有很多個編輯ppt1）水汽混合比r單位：kg/kg2）比濕q單位：kg/kgq與r的關(guān)系：編輯ppt3）絕對濕度（水汽密度)單位：kg/m3V為濕空氣體積4）水汽壓e：濕空氣中水汽的分壓強(qiáng)。單位為hPa相對于純水（冰）平面的飽和水汽壓Ew（Ei），僅是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而增大。編輯ppt5）相對濕度f6）露點td、霜點tf濕空氣在水汽含量不變的情況下，等壓降溫至相對于純水平面達(dá)飽和時的溫度，稱為露點；等壓降溫至相對于純冰平面達(dá)飽和時的溫度稱為霜點。編輯ppt四、風(fēng)1、風(fēng)的概念1）空氣相對運動形成風(fēng)大氣科學(xué)中的風(fēng)以地面為參照物，分水平風(fēng)、垂直風(fēng)。2）風(fēng)是矢量，水平風(fēng)是二維矢量3）水平風(fēng)有兩種描述方法：分量法、方向大小法編輯ppt2、風(fēng)向1）指風(fēng)的來向2）表示方法：用16個地理方位用方位角，正北開始。3、風(fēng)速表示方法1）單位時間里空氣所經(jīng)過的距離。單位：m/s編輯ppt2)風(fēng)級熱帶低壓(中心附近最大風(fēng)力6~7級)熱帶風(fēng)暴(8~9級)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(10~11級)臺風(fēng)(≥12級)。例如，熱帶氣旋用風(fēng)級劃分為：編輯ppt0無風(fēng)0.0-0.2煙直上平靜0.0

1軟風(fēng)0.3-1.5煙示風(fēng)向微波峰無飛沫0.1

2輕風(fēng)1.6-3.3感覺有風(fēng)小波峰未破碎0.2

3微風(fēng)3.4-5.4旌旗展開小波峰頂破裂0.6

4和風(fēng)5.5-7.9吹起塵土小浪白沫波峰1.0

5勁風(fēng)8.0-10.7小樹搖擺中浪折沫峰群2.0

6強(qiáng)風(fēng)10.8-13.8電線有聲大浪到個飛沫3.0

7疾風(fēng)13.9-17.1步行困難破峰白沫成條4.0

8大風(fēng)17.2-20.7折毀樹枝浪長高有浪花5.5

9烈風(fēng)20.8-24.4小損房屋浪峰倒卷7.0

10狂風(fēng)24.5-28.4拔起樹木海浪翻滾咆哮9.0

11暴風(fēng)28.5-32.6損毀普遍波峰全呈飛沫12颶風(fēng)32.7-摧毀巨大海浪滔天14.0編輯ppt五、能見度氣象上規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)視力的眼睛觀察水平方向，以天空為背景的黑色（不反射光）目標(biāo)物（視角在0.5-5°之間），能從背景上辨認(rèn)出來目標(biāo)物輪廓的max距離，稱為氣象能見距離；氣象能見距離大小的程度，稱為氣象能見度。（由能見度距離來判斷霧的分級。）從飛機(jī)上看地面目標(biāo)物時，其能見度屬于斜視能見度，與氣象能見度不同。編輯ppt測量：測量大氣能見度一般可用目測的方法，也可以使用大氣透射儀、激光能見度自動測量儀等測量儀器測量。

編輯ppt受氣溶膠影響大氣中的常見現(xiàn)象編輯ppt

虹和霓

含七種色光的太陽光線，射入大氣中的水滴(雨滴或霧滴)，各種色光經(jīng)歷折射和反射后，可在雨幕或霧幕上形成彩色光弧環(huán)。光環(huán)的彩色排序是內(nèi)紫外紅時，稱為虹。（光線在水汽滴內(nèi)經(jīng)歷了一次反射、一次折射）

在虹的外面，有時還出現(xiàn)較虹弱的彩色光環(huán)，彩色環(huán)的排序與虹相反即內(nèi)紅外紫，稱為霓或副虹。（光線在水汽滴內(nèi)經(jīng)歷了兩次反射、一次折射）

虹和霓都要背對太陽而立才能觀察到。在夏日的傍晚，西方放晴而東方天空有云雨時，最易看到虹和霓。

編輯ppt折射和反射編輯ppt大氣中的電學(xué)現(xiàn)象晴天大氣電場：在地表附近的電場強(qiáng)度約120V/m，總電